不同墙体材料的装配式日光温室的热性能对比分析

杨定伟 荆海薇* 景炜婷 何 斌 邹志荣 鲍恩财 曹晏飞

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 园艺学院,陕西 杨凌 712100;3.江苏省农业科学院 农业设施与装备研究所/农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室,南京 210014)

日光温室是我国北方地区冬季作物种植生产最主要的农业设施,具有良好的保温和节能特性[1-3]。日光温室后墙的热性能和温室的环境温度有着直接联系,由于墙体热性能差异造成的温室环境温度的变化对于冬季温室内环境的调控具有重要参考价值[4-7]。

为了探索温室后墙的保温蓄热性能,已有研究对日光温室后墙的墙体结构和材料性能进行了试验和分析。针对不同墙体结构,对墙体传热特性进行了研究,得出模块化组装后墙的传热能力优于传统混凝土后墙[8-11];部分研究[12-13]在后墙结构中设置了主动蓄热系统,使后墙的蓄热和保温性能得到进一步提升。对墙体材料的诸多研究表明,复合材料后墙较单一材料后墙的热性能更好[14],将相变材料应用到温室后墙能够提升和改善温室的热环境[15]。为优化墙体厚度,已有研究[16-19]对后墙蓄热层厚度方面采用温波法和温波理论以确定墙体蓄热层厚度,将温室的后墙分为蓄热层、热稳定层等,为优化温室墙体的结构,推进日光温室后墙改进提供依据和参考。

装配式温室造价低,施工便捷的特点使得其具有较强的推广价值[20-21],已有研究[22-23]虽然探索了装配式日光温室和传统日光温室的性能差异,以及装配式温室自身的性能表现,但不同后墙材料装配式温室之间的性能对比研究较少。

本研究拟对2种不同后墙材料装配式日光温室冬季室内环境进行测试,并以传统结构温室为对照,分析温室间热性能的差异,以期为墙体材料和厚度的优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验温室

试验地点位于陕西省杨凌示范区西北农林科技大学北校区园艺场(34°15′ N,108°06′ E)。试验温室分别为装配式砾石模块温室(A)和装配式土模块温室(B),当地传统砖混材料温室(C)为照温室,结构参数见表1。试验温室的齿条上通风口位于后坡,卷膜下通风口位于前侧屋面的下部。测试期内试验温室和对照温室种植作物均为番茄,品种为‘普罗旺斯’,适宜生长温度环境为20～25 ℃,最低温度为10 ℃,采用基质袋培养,灌溉方式为滴灌,试验时间为2021-01-20—2021-04-01。

表1 试验温室及对照温室的基本参数及后墙结构Table 1 Basic parameters and back wall construction of the test and control greenhouses

1.2 主动蓄热循环系统

主动蓄热循环系统结构见图1。该系统包括风道、风机及其控制系统,其中风道包括有后墙内风道和温室内土壤下风道。试验温室的主动蓄热循环系统的气流运动方式相同,轴流风机的数量及功率相等,气流管道均使用市场常用的PVC管道。风机为负压通风,2座试验温室各6台,共12台,均位于出风口。

1.轴流风机;2.地下气流管道;3.土壤;4.墙体气流管道;5.砾石;6.夯实粘土1.Axial flow fan; 2.Underground air duct; 3.Soil; 4.Wall air duct; 5.Gravel; 6.Compacted clay图1 试验温室A(a)和试验温室B(b)主动蓄热循环系统平面结构Fig.1 Test greenhouse A (a) and test greenhouse B (b) Planar structure of the active thermal storage circulation system

本次试验主要研究不同材料的装配式日光温室的基础热性能差异,故在选取的试验日期中该主动蓄热循环系统并未运行。

1.3 试验设计

试验温室A的空间温度测点位于温室长度方向的3等分截面上,每个截面的温度测点9个,共2个截面18个温度测点,试验温室B和对照温室C的空间温度测点布置和A温室相同;试验温室A和B墙内测点布置在温室长度方向中间、后墙表面1.8 m高度,A温室从室内墙体表面到墙体内侧的测点深度分别为0、200、400、600 mm,B温室从室内墙体表面到墙体内侧的测点深度分别为0、200、400、600、800 mm;试验温室后墙长度方向的中间,后墙表面1.8 m高度,布置1个墙体热流密度测点。

试验及对照温室室内温度和试验温室后墙温度的测量仪器为T型热电偶(合柔(上海)电线电缆有限公司),温度测量范围-200～350 ℃,测量精度±0.2 ℃;采集温度数据的仪器为安捷伦数据采集仪(美国Agilent公司生产),温度测量范围-200～350 ℃,测量精度±0.1 ℃;后墙热流密度使用仪器为JT2020(北京世纪建通科技股份有限公司),热流测量范围0～5 MW/m2,测量精度±4%;室外设立小型室外气象站(HOBOU30气象站)采集室外气象数据。

试验和对照温室采用保温被覆盖,09:00收卷,17:00铺放。保温被覆盖时段为17:00—次日09:00,保温被卷起时段为09:00—17:00。晴天,11:00左右打开通风口,15:00左右关闭,阴天和雨天温度较低时通风系统关闭,可根据实时天气情况稍作改变。

1.4 理论分析

1.4.1墙体热性能计算

采用单层材料蓄热系数(S)、总热阻(Rov)、热惰性指标(D)、总热惰性指标(Dov)、材料层内表面蓄热系数(Yif)、材料层外表面蓄热系数(Yof)、衰减倍数(νov)、延迟时间(ξov)、墙体蓄放热量(Qpas) 评估温室后墙的热性能。

单层材料蓄热系数(S)的定义为:

(1)

式中:λ为材料导热系数,W/(m·℃);c为比热容,kJ/(kg·℃);ρ为密度,kg/m3;Z为波动周期,本研究中Z=24 h。

总热阻(Rov)定义为:

(2)

式中:αin为材料层内表面热转移系数,W/(m2·℃),本研究取αin=8.7 W/(m2·℃);αout为材料层外表面热转移系数,W/(m2·℃),本研究取αout=23.0 W/(m2·℃);dm为第m层的材料层厚度,m为材料层数(m=1,2,…,n),mm;λm为第m层的导热系数,W/(m·℃);Rin为平壁层内表面换热阻,(m2·℃)/W,本研究中Rin=0.11(m2·℃)/W;Rout为平壁层外表面换热阻,(m2·℃)/W,本研究中Rout=0.04(m2·℃)/W;∑Rm平壁各层材料热阻之和,(m2·℃)/W。

热惰性指标(D)定义为:

D=R·S

(3)

式中:R为热阻,(m2·℃)/W。

总热惰性指标(Dov)定义为:

Dov=∑(Rm·Sm)

(4)

式中:Rm为第m层墙体的热阻,(m2·℃)/W;Sm为第m层墙体的蓄热系数,W/(m2·℃)。

当温度波由外向内传递时,材料层外表面蓄热系数Ym,o计算从内侧第1层开始,逆着温度波前进的方向,依次向外逐层推算。第1层外表面的蓄热系数(Y1,o)计算公式[24],当D1≥1.0时为

Y1,o=S1

D1<1.0时为

式中:S1为第1层蓄热系数,W/(m2·℃)。从第2层开始,以后任一层的外表面蓄热系数(Ym,o),当Dm≥1.0时为

Ym,o=Sm

Dm<1.0时为

式中:Ym-1,o表示第(m-1)层的蓄热特性对第m层的影响,W/(m2·℃)。最外层材料的外表面蓄热系数,即为平壁表面的材料层外表面蓄热系数为:

Yn,of=Yof

当温度波由内向外时,材料层内表面蓄热系数的计算顺序还是逆着温度波前进方向,即从外层向内逐层计算,各层次编号不变,最外层即第n层的材料层内表面蓄热特性系数[24],当Dn≥1.0时为:

Yn,i=Sn

Dn<1.0时为:

式中:Rn为最外层热阻,(m2·℃)/W;Sn为最外层蓄热系数,W/(m2·℃)。其他各层的内表面蓄热系数,当Dm≥1.0时为:

Ym,i=Sm

Dm<1.0时为:

最内层的内表面蓄热特性系数,即为平壁的内表面蓄热特性系数为:

Y1,i=Yif

室外温度谐波传至平壁内表面的总衰减度的定义[24]为:

(5)

式中:S1,S2,…,Sn为各层材料的蓄热系数,W/(m2·℃);Y1,Y2,…,Yn为各材料层外表面蓄热系数,W/(m2·℃)。

室外温度谐波传至平壁内表面的延长时间的定义[24]为:

(6)

式中:Yof为材料层外表面蓄热系数,W/(m2·℃);Yif为材料层内表面的蓄热系数,W/(m2·℃)。

1.4.2试验温室墙体蓄放热量

将墙体视为一维稳态导热,则根据墙面热流密度、墙体面积以及热流密度测量间隔时间等参数,可得到墙体放热量,计算公式[9]为:

Qpas=∑qτ·Sw·tτ/106

(7)

式中:Qpas为后墙的热量,MJ;qτ为τ时段墙体表面热流密度,W/m2;Sw为主动蓄热后墙表面积,即后墙长度与高度之积,本研究中Sw=57.6 m2;tτ为测试期间记录数据的时间间隔,本研究中tτ=1 200 s。

2 结果与分析

2.1 温室内外气温对比分析

冬季不同典型天气条件下的温室空间温度有着不同的变化,魏瑞江等[5]以连续3 d以上无日照或逐日日照时数≤2 h连续4 d以上为连续阴天的统计标准;黎贞发等[6]以日最低气温≤0 ℃且日照时数≤3 h为低温连阴天的统计标准;鲍恩财等[9]以日照时数≤2 h连续3 d及以上为连续阴天条件统计标准。本研究根据以上标准选取交集,规定日照时数≤3 h且最低温度低于0 ℃为典型低温阴天。选取2月12日为典型晴天,2月13日为典型低温阴天,并根据降雨量选取2月28日为典型雨天。3种典型天气试验和对照温室室内及室外温度变化见图2。

图2 试验温室和对照温室内温度及室外温度Fig.2 Indoor temperature of test and control greenhouses and outdoor temperature

晴天A、B、C温室以及室外的日平均气温分别为20.5、20.9、16.9、8.2 ℃,试验温室A和B在晴天条件下室内气温差距较小,C温室气温相对较低,夜间A、B、C温室以及室外的平均温度分别为16.3、16.9、14.2、7.8 ℃,试验温室A和B的夜间温度相差不大,B温室优于A温室,对照温室C比试验温室A和B的夜间气温低2 ℃以上。晴天试验温室A和B在白天的温差很小,C温室气温最低,到了夜间,B温室气温最高,A温室次之,C温室最低。试验温室A和B的室内气温优于对照温室C,保温性更好。

阴天A、B、C温室的白天和夜间的温度变化趋势基本相同,均于16:00左右达到当天温度最大值。阴天A、B、C温室以及室外的日平均温度分别为14.9、15.5、12.5、5.4 ℃,夜间A、B、C温室以及室外的平均温度分别为12.8、13.7、10.4、2.8 ℃,B温室温度最高,比A和C温室分别高了0.9、3.3 ℃。阴天B温室的夜间保温性能最优,A温室次之,C温室相对较差,试验和对照温室的室内气温受外界天气变化影响不大。

雨天由于室外温度较低且光照强度较弱,试验和对照温室的室内气温变化趋势和晴天和阴天都不同,日平均温度均较低,温度波动较为平缓。A、B、C温室以及室外的日平均气温分别为9.3、11.2、7.0、4.1 ℃,夜间平均气温分别为9.0、10.9、6.6、4.5 ℃。B温室日平均温度以及夜间平均温度均高于A和C温室,C温室最低。B温室的保温性较A和C温室更优。

2.2 温室后墙热性能及其不同深度的温度变化

2.2.1墙体热工性能分析

根据GB 50176—2016《民用建筑设计规范》[25]采用试验温室墙体的材料导热系数和比热容数值见表2。试验温室A和B后墙蓄热层的材料分别选用砾石和夯实土块,夯实粘土的比热容大于砾石,说明B温室的夯实粘土块墙体吸热能力较A温室的砾石墙体更强,使得在太阳热辐射穿过墙体时B温室墙体能够吸收更多热量,提升墙体温度。夜间B温室墙体由传导、对流和辐射的方式向室内空间传递储存热量相较于A温室更多,更能提升夜间温室的室内温度。

表2 试验温室不同后墙材料的热物理性能参数Table 2 Thermophysical performance parameters of different back wall materials in test greenhouses

为进一步对比评估试验温室A和B的墙体的热工性能,表3示出总热阻、蓄热系数、总热惰性指标等指标的计算结果。2座试验温室蓄热层的材料砾石和夯实土块的蓄热系数差别较小,蓄热能力相差不大。试验温室A和B的总热阻分别为2.81和3.35 (m2·℃)/W,B温室墙体的总热阻高于A温室,说明B温室墙体的保温性能较A温室墙体更优,B温室墙体具有较A温室更加出色的隔热能力,受到外界环境变化的影响更小。试验温室A和B蓄热层的热惰性指标分别为4.16和13.45,墙体的总热惰性指标分别为:5.79和14.71,B温室的蓄热层的热惰性指标和墙体的总热惰性指标均大于A温室,温度波在B温室墙体的衰减更大,并减缓了室内温度的变化,使得墙体的热稳定性较A温室更优,对于营造稳定的温室热环境更加有利。

表3 试验温室不同墙体的热特性指标Table 3 Indicators of the thermal properties of different walls of the test greenhouse

若外界温度发生剧烈变化,如果温室的围护结构对于温度变化的抵抗能力较弱,温室后墙内表面的温度也将随之发生变化,将会直接导致室内的空气温度剧烈变化,一方面不利于温室内植物的生长,另一方面会导致设备调节室内温、湿度的效果大打折扣。因此,为研究2座试验温室后墙在冬季的热稳定性差异,对冬季室外温度谐波传至试验温室平壁内表面的衰减倍数和延迟时间进行计算,结果见表4。在冬季,室外温度谐波传至试验温室A和B内表面的延迟时间分别为14.84和38.60 h,B温室的延迟时间远高于A温室,B温室墙体较长的延迟时间使得围护结构拥有较A温室墙体更强的抵抗外界温度变化的性能,更长的延迟时间将室外最高温度出现时间延后,使夜间出现较高的辐射温度,对于减少温室的采暖能耗更加有益。试验温室A和B的衰减倍数分别为519.89和386 599.94,B温室墙体的衰减倍数远大于A温室墙体,这是B温室的热惰性指标更大导致。B温室较大的衰减倍数使墙体具有更加稳定的内表面温度,提高室内的综合温度。

表4 试验温室不同墙体的热稳定性指标Table 4 Thermal stability indicators for different walls of the test greenhouse

上述结果表明,B温室后墙相较于A温室具有更大的热阻和热惰性指标,B温室后墙蓄热性能更优。B温室的后墙在冬季室外温度谐波传至墙内表面时的衰减倍数更大,延迟时间更长。B温室后墙具有更强的抵抗外界温度变化的能力,具有更好的热稳定性,更加适合西北地区的环境。

2.2.2温室后墙不同深度的温度变化

试验温室后墙热工性能分析表明,B温室的热工性能优于A温室。为了进一步研究新型装配式日光温室的墙体热性能差异,对试验温室A和B的后墙不同墙体深度的温度变化进行分析,典型天气下的后墙不同墙体深度温度的变化见图3。

晴天试验温室A和B的墙体温度从墙体内表面向墙体内部逐渐降低。0～400 mm墙体厚度区间的温度变化幅度较大,各深度的温度峰值均在16:00左右,B温室墙体温度均优于A温室。墙体厚度>500 mm区域B温室的温度在1 d内的变化幅度较小,基本趋于稳定,受外界环境影响很小,相反A温室的温度变化幅度依然明显,夜间温度有较为明显下降。阴天试验温室A和B的墙体温度较晴天更低,温度变化幅度相对较小,0～300 mm墙体厚度的温度变化幅度较大,和晴天相同,墙体的温度峰值出现在16:00左右,B温室墙体温度依然优于A温室。墙体厚度>500 mm区域B温室的温度基本保持稳定,A温室存在较大温度幅度变化,在进入夜间后相较于晴天,墙体温度下降速率相对更快。

上述结果表明,典型天气条件下B温室的墙体温度优于A温室,这和试验温室A和B的热工性能分析结果一致。墙体厚度>500 mm的区域B温室墙体温度在1 d内相对稳定,温度波幅变化基本保持不变,在此墙体厚度区间内A温室后墙温度变化依旧较为明显。

为进一步研究和明确试验温室A和B的墙体蓄热层厚度,采用由李明等[16]提出的温波法,定义温室墙体 1 d内温度波幅>1 ℃的区域为其蓄热层,并以此确定温室后墙蓄热层的厚度,对2座试验温室墙体的蓄热层厚度进行分析。在典型天气条件下试验温室不同墙体深度的温度波幅变化见图4。

图4 典型天气条件下试验温室不同墙体深度的极值温度Fig.4 The maximum and minimum value of temperature at different wall depths in the test greenhouse under typical weather conditions

晴天,A温室在0～600 mm墙体厚度的温度波幅分别为10.3、5.4、3.0、2.5 ℃,B温室在0～800 mm的温度波幅分别为11.8、3.1、2.2、1.0、0.5 ℃。阴天,A温室的温度波幅分别为6.6、2.6、2.5、1.7 ℃,B温室的温度波幅分别为7.8、2.9、1.0、0.7、0.6 ℃。这与李明等[16]和鲍恩财等[9]的结果一致。试验温室A和B的墙体均为表面温度变化最为剧烈,随着深度的增加,温度波幅逐渐减小。根据墙体不同深度波幅的变化大小可将墙体分为蓄热层和稳定层[18],在本试验条件下晴天B温室的蓄热层厚度为600～700 mm,墙体厚度>700 mm的区域温度波幅变化很小,所以墙体厚度>700 mm均为热稳定层。阴天的蓄热层厚度为300～400 mm,墙体厚度>400 mm为热稳定层,这和张志录等[18]的研究结果的规律一致。A温室在典型天气下的日温度变化均大于1 ℃(最小波幅为1.7 ℃),由温波法计算可得其蓄热层厚度>600 mm,造成这种结果的主要原因是墙体的材料差异和墙体厚度较小。

2.3 墙体传热特性分析

为进一步分析试验温室A和B后墙的传热特性,对比试验温室热流密度的变化,本研究对2座试验温室典型天气下的蓄、放热性能进行计算和分析,热流密度变化见图5。

图5 典型晴天(a)和阴天(b)试验温室墙体热流密度变化Fig.5 Changes in heat flow density of test greenhouse walls on a typical sunny day (a) versus a cloudy day (b)

晴天试验温室A和B墙体的最大蓄热热流密度分别为181.08和367.89 W/m2,平均蓄热的热流密度分别为95.93和188.52 W/m2,平均放热的热流密度分别为7.46和26.93 W/m2,蓄热时长分别为6.5和8.5 h。阴天试验温室A和B墙体的最大蓄热热流密度分别为51.38和89.04 W/m2,平均蓄热的热流密度分别为22.73和47.99 W/m2,平均放热的热流密度分别为2.90和11.05 W/m2,蓄热时长分别为6.0和7.5 h。试验温室A和B后墙的热流密度随外界光照强度的变化而变化,在白天光照强度大时,热流密度变化幅度大,进入夜间放热阶段时,变化较为平缓。在典型天气条件下,B温室的蓄热热流密度和放热热流密度均高于A温室,B温室在1 d内的蓄热时间比A温室更久,在夜间放出的热量更多,能够更好地提升夜间温室内的气温。

晴天试验温室A和B在1 d内的被动蓄热量均高于被动放热量,B温室的被动蓄、放热量分别比A温室高出205.98和37.34 MJ(表5)。试验温室A和B的墙体蓄热量比放热量分别高111.28和279.52 MJ,B温室比A温室高168.24 MJ,这部分热量被储存在墙体内部,提升了墙体蓄热层部分的温度,B温室的储存热量比A温室高,使得B温室墙体内部的温度高于A温室,这与图5所示的测试分析结果一致。阴天,B温室的被动蓄、放热量分别比A温室高57.98和43.89 MJ,试验温室A和B的墙体蓄热量比放热量分别高15.55和29.64 MJ,B温室的墙体蓄热量比A温室高,说明B温室墙体温度高于A温室。阴天墙体蓄、放热量低于晴天的蓄、放热量,这与图5所示的分析结果一致。

表5 试验温室后墙蓄放热量Table 5 Heat storage in the back wall of the test greenhouse MJ

上述结果表明,典型天气下B温室墙体的蓄热量高于A温室,在夜间放出的热量更高,使得B温室在夜间的温度得到更大提升。

3 讨 论

温室后墙结构和建筑的材料不同是造成日光温室内环境差异的主要影响因素,因此改进温室后墙墙体结构和选择合适的建筑材料是提高温室后墙蓄热量,提升温室在冬季的保温性能的重要措施。本研究选取的2座试验温室的位置能够保证日光温室所受到的太阳辐射强度大致相同。后墙不同深度的温度变化方面,利用李明等[16]的温波法对墙体的蓄热层厚度进行确定,B温室在典型天气下的蓄热层厚度和鲍恩财等[9]的研究一致,但在>500 mm的墙体厚度区间 A温室的温度波幅变化依然明显,B温室变化很小。A温室的温度波幅均大于1.0 ℃,由温波法计算可得A温室的蓄热层厚度>600 mm。造成这种结果的主要原因是:1)墙体的材料差异,砾石间的空隙较大,密闭性差,与室内空气接触较多,易受空气温度变化影响;2)墙体厚度较小,尚待进一步研究。

由试验温室后墙蓄、放热量计算结果可知,典型天气下B温室的蓄热能力均强于A温室,这与室内温度测量结果和热工性能计算结果一致。本试验2座试验温室后墙的建造工艺存在差异,在墙体厚度上未能保证完全一致,只能从墙体整体进行分析,这与鲍恩财等[9]的研究结果相似,根据杨建军等[19]研究得出杨凌地区日光温室墙体的最佳厚度为1 000 mm,所以在后期试验中可将A温室墙体改造加厚后再进行试验对比分析。

本研究仅分析了试验温室后墙的蓄、放热量变化和墙体性能对温室内环境的影响,李建设等[26]研究发现,无论晴天和阴天地面全天放热总量总是大于墙体放热总量。本研究在之后的试验可将温室地面和墙面的蓄、放热量结合分析。

4 结 论

本研究对比分析了装配式砾石模块日光温室(试验温室A)、装配式土模块日光温室(试验温室B)和当地传统的砖混结构温室(对照温室C)室内的温度差异以及2座试验温室的墙体传热特性,得出以下结论:

1)晴天B温室的夜间平均气温分别比A和C温室高0.6和2.7 ℃,阴天夜间平均气温分别高0.9和3.3 ℃,雨天夜间平均气温分别高1.9和4.3 ℃。试验温室A和B热性能优于对照温室C,B温室的保温、蓄热性能最好。

2)试验温室B后墙的总热阻和总热惰性指标均大于A温室,室外温度谐波传至B温室后墙内表面的衰减倍数和延迟时间更大。说明B温室后墙相比于A温室具有更好的热稳定性,更加适应西北地区昼夜温差较大的外部环境。

3)晴天试验温室B的墙体蓄热层厚度为600～700 mm,墙体厚度>700 mm为稳定层;阴天蓄热层厚度为300～400 mm,墙体厚度>400 mm为稳定层。试验温室A的后墙在典型天气条件的蓄热层厚度>600 mm。

4)晴天试验温室A和B的蓄热量分别为145.84和351.82 MJ,放热量分别为34.56和72.30 MJ,B温室的蓄放热量均高于A温室,1 d内B温室的蓄热量比A温室高168.24 MJ;阴天试验温室A和B的蓄热量分别为25.78和83.76 MJ,放热量分别为10.23和54.12 MJ,1 d内B温室的蓄热量高出A温室14.09 MJ。B温室的蓄热能力优于A温室,墙体的保温能力较好。